Пристрій і принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Для того, щоб зрозуміти принцип роботи ГРМ. потрібно мати деякі уявлення про сам двигун і його будову. Давайте розберемося з усім більш докладно:

У пристрої двигуна поршень є ключовим елементом робочого процесу. Поршень виконаний у вигляді металевого пустотілого склянки, розташованого сферичним дном (головка поршня) вгору. Напрямна частина поршня, інакше звана спідницею, має неглибокі канавки, призначені для фіксації в них поршневих кілець. Призначення поршневих кілець - забезпечувати, по-перше, герметичність надпоршневого простору, де при роботі двигуна відбувається миттєве згоряння бензиново-повітряної суміші і утворюється розширюється газ не міг, обігнувши спідницю, спрямуватися під поршень. По-друге, кільця запобігають потраплянню масла, що знаходиться під поршнем, в надпоршневомупростір. Таким чином, кільця в поршні виконують функцію ущільнювачів. Нижня (нижні) поршневі кільця називається маслос'емниє, а верхнє (верхні) - компресійним, тобто забезпечує високу ступінь стиснення суміші.

Коли з карбюратора або інжектора всередину циліндра потрапляє паливно-повітряна або паливна суміш, вона стискається поршнем при його русі вгору і підпалюється електричним розрядом від свічки системи запалювання (в дизелі відбувається самозаймання суміші за рахунок різкого стиснення). Утворені гази згоряння мають значно більший обсяг, ніж вихідна паливна суміш, і, розширюючись, різко штовхають поршень вниз. Таким чином теплова енергія палива перетворюється в зворотно-поступальний (вгору-вниз) рух поршня в циліндрі.

Далі необхідно перетворити це рух в обертання валу. Відбувається це таким чином: всередині спідниці поршня розташований палець, на якому закріплюється верхня частина шатуна, останній шарнірно зафіксований на кривошипі колінчастого вала. Колінвал вільно обертається на опорних підшипниках, що розташовані в картері двигуна внутрішнього згоряння. При русі поршня шатун починає обертати коленвал, з якого крутний момент передається на трансмісію і - далі через систему шестерень - на провідні колеса.

Технічні характеристики двігателя.Характерістікі двигуна При русі вгору-вниз у поршня є два положення, які називаються мертвими точками. Верхня мертва точка (ВМТ) - це момент максимального підйому головки і всього поршня вгору, після чого він починає рух вниз; нижня мертва точка (НМТ) - саме нижнє положення поршня, після якого вектор напрямку змінюється і поршень рухається вгору. Відстань між ВМТ і НМТ названо ходом поршня, об'єм верхньої частини циліндра при положенні поршня у ВМТ утворює камеру згоряння, а максимальний обсяг циліндра при положенні поршня у НМТ прийнято називати повним об'ємом циліндра. Різниця між повним обсягом і обсягом камери згоряння отримала найменування робочого об'єму циліндра.

Сумарний робочий об'єм всіх циліндрів двигуна внутрішнього згоряння вказується в технічних характеристиках двигуна, виражається в літрах, тому в побуті іменується літражем двигуна. Другою найважливішою характеристикою будь-якого ДВС є ступінь стиснення (СС), що визначається як частка від ділення повного обсягу на обсяг камери згоряння. У карбюраторних двигунів СС варіює в інтервалі від 6 до 14, у дизелів - від 16 до 30. Саме цей показник, поряд з обсягом двигуна, визначає його потужність, економічність і повноту згоряння паливо-повітряної суміші, що впливає на токсичність викидів при роботі ДВС .
Потужність двигуна має бінарне позначення - в кінських силах (к.с.) і в кіловатах (кВт). Для перекладу одиниць одна в іншу застосовується коефіцієнт 0,735, тобто 1 к.с. = 0,735 кВт.
Робочий цикл чотиритактного ДВС визначається двома оборотами колінчастого вала - по півоберта на такт, що відповідає одному ходу поршня. Е слі д вігатель одноциліндровий, то в його роботі спостерігається нерівномірність: різке прискорення ходу поршня при вибуховому згорянні суміші і уповільнення його в міру наближення до НМТ і далі. Для того, щоб цю нерівномірність купірувати, на валу за межами корпусу мотора встановлюється масивний диск-маховик з великою інерційністю, завдяки чому момент обертання валу в часі стає більш стабільним.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Сучасний автомобіль, найчастіше за все, приводиться в рух двигуном внутрішнього згоряння. Таких двигунів існує величезна безліч. Розрізняються вони обсягом, кількістю циліндрів, потужністю, швидкістю обертання, використовуваним паливом (дизельні, бензинові та газові ДВС). Але, принципово, пристрій двигуна внутрішнього згоряння, схоже.
Як працює двигун і чому називається чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння? Про внутрішнє згоряння зрозуміло. Усередині двигуна згоряє паливо. А чому 4 такту двигуна, що це таке? Дійсно, бувають і двотактні двигуни. Але на автомобілях вони використовуються вкрай рідко.
Чотиритактним двигун називається через те, що його роботу можна розділити на чотири, рівні за часом, частини. Поршень чотири рази пройде по циліндру - два рази вгору і два рази вниз. Такт починається при знаходженні поршня в крайній нижній або верхній точці. У автомобілістів-механіків це називається верхня мертва точка (ВМТ) і нижня мертва точка (НМТ).

Перший такт - такт впуску

Перший такт, він же впускний, починається з ВМТ (верхньої мертвої точки). Рухаючись вниз, поршень, всмоктує в циліндр топливовоздушную суміш. Робота цього такту відбувається при відкритому клапані впуску. До речі, існує багато двигунів з декількома впускними клапанами. Їх кількість, розмір, час знаходження у відкритому стані може істотно вплинути на потужність двигуна. Є двигуни, в яких, в залежності від натискання на педаль газу, відбувається примусове збільшення часу перебування впускних клапанів у відкритому стані. Це зроблено для збільшення кількості всмоктуваного палива, яке, після загоряння, збільшує потужність двигуна. Автомобіль, в цьому випадку, може набагато швидше прискоритися.

Другий такт - такт стиснення

Наступний такт роботи двигуна - такт стиснення. Після того як поршень досяг нижньої точки, він починає підніматися вгору, тим самим, стискаючи суміш, яка потрапила в циліндр в такт впуску. Паливна суміш стискається до обсягів камери згоряння. Що це за така камера? Вільний простір між верхньою частиною поршня і верхньою частиною циліндра при знаходженні поршня у верхній мертвій точці називається камерою згоряння. Клапани, в цей такт роботи двигуна закриті повністю. Чим щільніше вони закриті, тим стиснення відбувається якісніше. Велике значення має, в даному випадку, стан поршня, циліндра, поршневих кілець. Якщо є великі зазори, то хорошого стиснення не вийде, а відповідно, потужність такого двигуна буде набагато нижче. Компресію можна перевірити спеціальним приладом. За величиною компресії можна зробити висновок про ступінь зносу двигуна.

Третій такт - робочий хід

Третій такт - робочий, починається з ВМТ. Робочим він називається не випадково. Адже саме в цьому такті відбувається дія, що змушує автомобіль рухатися. У цьому такті в роботу вступає система запалювання. Чому ця система так називається? Та тому, що вона відповідає за підпалювання паливної суміші, стиснутої в циліндрі, в камері згоряння. Працює це дуже просто - свічка системи дає іскру. Справедливості заради, варто зауважити, що іскра видається на свічці запалювання за кілька градусів до досягнення поршнем верхньої точки. Ці градуси, в сучасному двигуні, регулюються автоматично «мізками» автомобіля.
Після того як паливо загориться, відбувається вибух - воно різко збільшується в об'ємі, змушуючи поршень рухатися вниз. Клапани в цьому такті роботи двигуна, як і в попередньому, знаходяться в закритому стані.

Четвертий такт - такт випуску

Четвертий такт роботи двигуна, останній - випускний. Досягнувши нижньої точки, після робочого такту, в двигуні починає відкриватися випускний клапан. Таких клапанів, як і впускних, може бути кілька. Рухаючись вгору, поршень через цей клапан видаляє відпрацьовані гази з циліндра - вентилює його. Від чіткої роботи клапанів залежить ступінь стиснення в циліндрах, повне видалення відпрацьованих газів і необхідну кількість всмоктується паливно-повітряної суміші.

Після четвертого такту настає черга першого. Процес повторюється циклічно. А за рахунок чого відбувається обертання - робота двигуна внутрішнього згоряння все 4 такту, що змушує поршень підніматися і опускатися в тактах стиснення, випуску і впуску? Справа в тому, що не вся енергія, що отримується в робочому такті, направляється на рух автомобіля. Частина енергії йде на розкручування маховика. А він, під дією інерції, крутить колінчастий вал двигуна, переміщаючи поршень в період «неробочих» тактів.

Газорозподільчий механізм

Газорозподільний механізм (ГРМ) призначений для уприскування палива і випуску відпрацьованих газів в двигунах внутрішнього згоряння. Сам механізм газорозподілу ділиться на ніжнеклапанний, коли розподільний вал знаходиться в блоці циліндрів, і верхньоклапанний. Верхньоклапанний механізм передбачає перебування распредвала в головці блоку циліндрів (ГБЦ). Існують і альтернативні механізми газорозподілу, такі як гільзового система ГРМ, десмодромного система і механізм із змінними фазами.
Для двотактних двигунів механізм газорозподілу здійснюється за допомогою впускних і випускних вікон в циліндрі. Для чотиритактних двигунів найпоширеніша система верхньоклапанної, про неї і піде мова нижче.

пристрій ГРМ
У верхній частині блоку циліндрів знаходиться ГБЦ (головка блоку циліндрів) з розташованими на ній розподільним валом, клапанами, штовхачами або коромислами. Шків приводу распредвала винесено за межі головки блоку циліндрів. Для виключення протікання моторного масла з-під клапанної кришки, на шийку распредвала встановлюється сальник. Сама клапанна кришка встановлюється на масло бензо стійку прокладку. Ремінь ГРМ або ланцюг одягається на шків распредвала і приводиться в дію шестернею колінчастого вала. Для натягу ременя використовуються натяжні ролики, для ланцюга натяжні «башмаки». Зазвичай ременем ГРМ приводиться в дію помпа водяної системи охолодження, проміжний вал для системи запалювання і привід насоса високого тиску ТНВД (для дизельних варіантів).
З протилежного боку розподільного вала за допомогою прямої передачі або за допомогою ременя, можуть приводитися в дію вакуумний підсилювач, гідропідсилювач керма або автомобільний генератор.

Шток є вісь з проточенной на ній кулачками. Кулачки розташовані по валу так, що в процесі обертання, стикаючись з штовхачами клапанів, натискають на них точно відповідно до робочих тактами двигуна.

Існують двигуни і з двома розподільними валами (DOHC) і великим числом клапанів. Як і в першому випадку, шківи приводяться в дію одним ременем ГРМ і ланцюгом. Кожен распредвал закриває один тип клапанів впускних або випускних.
Клапан натискається коромислом (ранні версії двигунів) або штовхачем. Розрізняють два види штовхачів. Перший - штовхачі, де зазор регулюється калібрувальними шайбами, другий - гидротолкатели. Гидротолкатель пом'якшує удар по клапану завдяки маслу, яке знаходиться в ньому. Регулювання зазору між кулачком і верхньою частиною штовхача не потрібно.

Весь процес газорозподілу зводиться до синхронного обертання колінчастого вала і розподільного вала. А так же відкриванню впускних і випускних клапанів в певному місці положення поршнів.
Для точного розташування распредвала щодо коленвала використовуються установчі позначки. Перед одяганням ременя газорозподільного механізму поєднуються і фіксуються мітки. Потім одягається ремінь, «звільняються» шківи, ​​після чого ремінь натягується натяжним (і) роликами.
При відкриванні клапана коромислом відбувається наступне: распредвал кулачком «наїжджає» на коромисло, яке натискає на клапан, після проходження кулачка, клапан під дією пружини закривається. Клапани в цьому випадку розташовуються v-образно.
Якщо в двигуні застосовані штовхачі, то распредвал знаходиться безпосередньо над штовхачами, при обертанні, натискаючи своїми кулачками на них. Перевага такого ГРМ малі шуми, невелика ціна, ремонтопридатність.
У ланцюговому двигуні весь процес газорозподілу той же, тільки при складанні механізму, ланцюг одягається на вал спільно зі шківом.

Кривошипно-шатунний механізм (далі скорочено - КШМ) - механізм двигуна. Основним призначенням КШМ є перетворення зворотно-поступальних рухів поршня циліндричної форми у обертальні рухи колінчастого вала в двигуні внутрішнього згоряння і, навпаки.

пристрій КШМ

Поршень має вид циліндра, виготовленого зі сплавів алюмінію. Основна функція цієї деталі полягає в перетворенні в механічну роботу зміна тиску газу, або навпаки, - нагнітання тиску за рахунок зворотно-поступального руху.
Поршень є складені докупи днище, головку і спідницю, які виконують абсолютно різні функції. Днище поршня плоскою, увігнутою або опуклою форми містить у собі камеру згоряння. Головка має нарізані канавки, де розміщуються поршневі кільця (компресійні і маслос'емниє). Компресійні кільця виключають прорив газів в картер двигуна, а поршневі маслознімні кільця сприяють видаленню надлишків масла на внутрішніх стінках циліндра. У спідниці розташовані дві бобишки, що забезпечують розміщення з'єднує поршень з шатуном поршневого пальця.

Виготовлений штампуванням або кований сталевий (рідше - титановий) шатун має шарнірні з'єднання. Основна роль шатуна полягає в передачі поршневого зусилля до колінчастого валу. Конструкція шатуна передбачає наявність верхньої і нижньої головки, а також стержня з двотаврових перетином. У верхній голівці і бобишках знаходиться обертається ( «плаваючий») поршневий палець, а нижня головка - розбірна, дозволяючи, тим самим, забезпечити тісне поєднання з шийкою вала. Сучасна технологія контрольованого розколювання нижньої головки дозволяє забезпечити високу точність з'єднання її частин.

Виготовлений із сталі або чавуну високої міцності колінчастий вал складається з шатунних і корінних шийок, з'єднаних щоками і обертаються в підшипниках ковзання. Щоки створюють противагу шатунним шийок. Основна функція колінчастого вала полягає в сприйнятті зусилля від шатуна для перетворення його в крутний момент. Усередині щік і шийок вала передбачені отвори для подачі під тиском масла системою змащення двигуна.

Маховик встановлюється на кінці колінчастого вала. На сьогоднішній день знаходять широке застосування двомасових маховики, мають вигляд двох, пружно з'єднаних між собою, дисків. Зубчастий вінець маховика бере безпосередню участь у запуску двигуна через стартер.

Блок і головка циліндрів

Блок циліндрів і головка блоку циліндрів відливають з чавуну (рідше - сплавів алюмінію). У блоці циліндрів передбачені сорочки охолодження, ліжку для підшипників колінчастого і розподільного валів, а також точки кріплення приладів і вузлів. Сам циліндр виконує функцію напрямної для поршнів. Головка блоку циліндра має в собі камеру згоряння, впускні-випускні канали, спеціальні отвори для свічок системи запалювання, втулки і запресовані сідла. Герметичність з'єднання блоку циліндрів з головкою забезпечені прокладкою. Крім того, головка циліндра закрита штампованою кришкою, а між ними, як правило, встановлюється прокладка з маслостойкой гуми.

В цілому, поршень, гільза циліндрів і шатун формують циліндр або циліндропоршневу групу кривошипно-шатунного механізму. Сучасні двигуни можуть мати до 16 і більше циліндрів.